基于Android手機的溫室環(huán)境監(jiān)測與補光控制系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)與應(yīng)用

杜彥芳　李鳳菊　王建春　李揚　張雪飛　徐義鑫

摘要：為實現(xiàn)冬春茬溫室作物的自動、智能補光，設(shè)計開發(fā)并實現(xiàn)了一套基于Android手機的溫室環(huán)境監(jiān)測與補光控制系統(tǒng)，用戶通過手機APP不僅能夠?qū)崟r獲取溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，還能夠遠程控制補光燈的開啟、關(guān)閉。并以“京藏香”草莓為試材，通過4個試驗重復對比了應(yīng)用該系統(tǒng)補光對冬春茬溫室草莓的影響。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸、展示和分析以及補光燈的手動和自動控制，具有性能穩(wěn)定、實時性好、使用方便、節(jié)省人力等特點，而且應(yīng)用該系統(tǒng)補光可促進草莓增產(chǎn)和早上市，提高收益。

關(guān)鍵詞：溫室環(huán)境監(jiān)測;補光控制;Android;Zigbee;傳感器;ARM

中圖分類號：S126文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）10-0152-06

Design， Implementation and Application of Greenhouse Environment

Monitoring and Light Supplement Control System Based on Android Mobile Phone

Du Yanfang， Li Fengju， Wang Jianchun， Li Yang， Zhang Xuefei， Xu Yixin

（Institute of Information， Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300192， China）

Abstract In order to realize automatic and intelligent light supplement for winter and spring greenhouse crops， a greenhouse environment monitoring and light supplement control system based on Android mobile phone was designed and developed. Users could not only acquire real-time environmental data in greenhouse through mobile APP， but also control the opening and closing of supplementary lights remotely. Taking Jingzangxiang strawberry as test material， the effects of light supplementation and control on strawberry in winter and spring greenhouse were compared through four repetitions. The results showed that the system could effectively complete data acquisition， transmission， display and analysis， as well as manual and automatic control of supplementary lights. It had the characteristics of stable performance， good real-time performance， convenient use and saving manpower. At the same time， the experimental data also showed that the application of this system to supplement light could promote strawberry production and early in the market.

Keywords Greenhouse environment monitoring; Light supplement control; Android; Zigbee; Sensor; ARM

太陽光照條件的好壞直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，然而，自然界中太陽的光照度隨地理緯度、季節(jié)和天氣狀況的不同而變化。溫室由于受覆蓋材料、灰塵以及結(jié)構(gòu)遮光等因素的影響，室內(nèi)光照狀況更差，一般僅為露地的30%～70%。尤其是在我國北方地區(qū)，冬春季節(jié)光照時間短、強度弱，常常不能滿足溫室作物正常生長對光照的需求，如果再遇到連續(xù)陰天、雨天、雪天或霧天，就會造成溫室作物嚴重光照不足，對其生長發(fā)育更為不利，可導致苗情差、病害多、果實發(fā)育緩慢、減產(chǎn)甚至絕收，嚴重影響農(nóng)戶的經(jīng)濟收益。因此，增加溫室內(nèi)的光照強度是提高作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的必要措施[1，2]。

通過人工補光的方式來延長光照時間，可以加快作物的生長速度，增強光合作用，提高產(chǎn)量，最大限度地克服溫室弱光寡照的障礙。但是，如果不考慮外界光照條件、環(huán)境溫度等因素的變化以及作物不同生長階段需光量的差異性，很容易造成補光不足或過度。補光過度不僅對作物生長沒有好處，還會帶來額外的開銷;補光不足又起不到應(yīng)有的作用，所以要多方面考慮，以期實現(xiàn)作物的精準補光[3]。

以單片機為核心的控制模塊加上電源模塊、人機交互模塊、檢測模塊和補光模塊等，可以根據(jù)光照的實時變化，依據(jù)一定的規(guī)則實現(xiàn)溫室的自動補光[4，5]，但存在操作環(huán)境差、操作不方便、出現(xiàn)問題不能及時報警、存儲容量小不利于歷史數(shù)據(jù)分析等問題。ZigBee、GSM、GPRS等技術(shù)的發(fā)展，雖說可以實現(xiàn)通過手機短信、彩信報警和遠程控制，但依然無法解決操作不方便、存儲容量小等問題[6，7]?，F(xiàn)如今，網(wǎng)絡(luò)越來越發(fā)達，智能手機越來越普及，如何利用服務(wù)器海量的存儲與強大的分析功能以及手機的便攜性和實時性來實現(xiàn)溫室補光的遠程監(jiān)測與控制，使農(nóng)戶可以隨時隨地了解溫室的狀態(tài)，必然會成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點和方向[8-10]?；诖耍⒁惶谆贏ndroid手機的溫室環(huán)境監(jiān)測與補光控制系統(tǒng)具有重要的意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)合傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[11-15]，實現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、分析和顯示，進而根據(jù)溫室實時環(huán)境信息來控制補光燈的開啟關(guān)閉，實現(xiàn)對溫室環(huán)境遠程監(jiān)控的實時性、便捷性要求，提高溫室管理的高效性、智能化和信息化水平。該系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要分為環(huán)境信息采集模塊、補光燈控制模塊、ARM智能決策模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、遠程服務(wù)器模塊和Android手機端模塊。

系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)拓撲采用了無線局域網(wǎng)Zigbee與無線廣域網(wǎng)GPRS的多種網(wǎng)絡(luò)融合方式，其大致工作流程是：環(huán)境信息采集模塊通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實時獲取各類傳感器采集的溫室小氣候環(huán)境信息。ARM智能決策模塊接收到來自環(huán)境信息采集模塊的數(shù)據(jù)后進行分析，之后通過GPRS技術(shù)將其存儲到遠程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫中[16，17]。遠程服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，溫室管理人員只需通過手機App連接遠程服務(wù)器就可以準確及時地觀測到遠程嵌入式終端設(shè)備采集到的當前各類環(huán)境因子數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)包括溫室的光照、空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，并以圖表的方式直觀展出。若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，手機還可以自動告警，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的實時監(jiān)測管理。溫室管理人員可以通過手機App查詢溫室的歷史環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合農(nóng)作物生長情況以及溫室補光等操作信息，分析總結(jié)經(jīng)驗，找出不足，為今后的種植和研究提供幫助。

溫室管理人員可以通過手機App進行智能補光設(shè)定，通過遠程服務(wù)器將其保存到數(shù)據(jù)庫中。ARM智能決策模塊從數(shù)據(jù)庫中獲取該補光設(shè)定，結(jié)合溫室的實時環(huán)境信息，當滿足補光條件時自動控制補光燈開啟補光，補光過程中不滿足條件時則自動關(guān)閉補光燈結(jié)束補光。另外，也可以根據(jù)需要，手動控制補光燈的開啟和關(guān)閉。

2 系統(tǒng)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 環(huán)境信息采集模塊

環(huán)境信息采集模塊主要負責溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，由Zigbee功能擴展板、傳感器、無線收發(fā)模塊、電源管理模塊等硬件組成，如圖2所示。由于溫室不同部位的環(huán)境信息有所差異，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，避免用局部數(shù)據(jù)代表整個溫室的情況，可以在溫室中安裝多個環(huán)境信息采集節(jié)點，每個節(jié)點安裝多個不同類型的傳感器[18]。因此，該環(huán)境信息采集模塊可根據(jù)溫室環(huán)境需要動態(tài)地增加傳感器的數(shù)量，每個傳感器通過撥碼開關(guān)設(shè)置唯一的IP地址。Zigbee通過定時發(fā)指令的方式獲取各個傳感器的數(shù)據(jù)，并通過其無線收發(fā)模塊將傳感器的數(shù)據(jù)進行無線發(fā)送。

2.2 補光燈控制模塊

補光燈控制模塊主要用來接收ARM智能決策模塊發(fā)來的控制命令并執(zhí)行命令，以控制補光燈的開啟與關(guān)閉?？刂乒?jié)點通過控制固態(tài)繼電器來控制交流接觸器，最終控制補光燈的開啟與關(guān)閉。補光燈狀態(tài)信息通過繼電器的常開觸點采集，觸點閉合表明補光燈開啟，觸點斷開表明補光燈關(guān)閉。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.3 ARM智能決策模塊

ARM智能決策模塊[19，20]一方面通過串口與Zigbee協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)通訊，接收環(huán)境信息采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行二次分析處理后通過GPRS模塊保存到數(shù)據(jù)庫中;另一方面通過GPRS模塊獲取數(shù)據(jù)庫中補光條件的設(shè)置，計算后通過Zigbee協(xié)調(diào)器下發(fā)指令，控制補光燈的開閉，如圖4所示。

2.4 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)存儲部分采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL將數(shù)據(jù)保存到不同的表中，提高了訪問速度和靈活性，設(shè)計上遵循一致性、完整性、安全性和可擴充性的原則。根據(jù)該系統(tǒng)的功能設(shè)計，以溫室為核心設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)庫表，包括溫室內(nèi)部采集控制器、采集器所連接傳感器、傳感器所采集的數(shù)據(jù)記錄、補光條件、補光歷史信息等，各表之間的關(guān)系如圖5所示。這樣設(shè)計的一個好處是：當增加新的溫室、采集控制器、傳感器類型、傳感器數(shù)量時，已有的數(shù)據(jù)庫表格都無需變動，擴展性好。

2.5 遠程服務(wù)器模塊

遠程服務(wù)器模塊以MyEclipse為開發(fā)平臺，采用Java語言，運用J2EE中的SSH（Struts+Spring+Hibernate）框架編寫而成。通過將其部署到Apache開源軟件基金會旗下的Tomcat服務(wù)器上，一方面與數(shù)據(jù)庫進行交互;另一方面響應(yīng)手機客戶端的請求，為其提供服務(wù)。

2.6 Android手機端模塊

Android手機端以Android Studio為開發(fā)平臺，使用開源框架Android-async-http與服務(wù)器進行通信，通信格式為JSON數(shù)據(jù)。其主要功能如圖6所示，包括溫室管理、溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實時顯示、傳感器閾值設(shè)定與報警、歷史數(shù)據(jù)查詢顯示、智能補光設(shè)定等。圖7是溫室實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的手機頁面。

3 應(yīng)用效果

2018年9月至2019年5月，在天津市北辰區(qū)雨農(nóng)蔬菜種植專業(yè)合作社3號草莓溫室進行了該系統(tǒng)的應(yīng)用試驗。該溫室長70 m，室內(nèi)跨度9.8 m，后墻高2.2 m，脊高3.6 m，通道寬1.2 m，壟寬0.4 m，壟間距0.5 m，共種植草莓73壟，每壟2行，每行46株，行距0.3 m，株距0.18 m;于2018年9月17日定植，2019年5月7日拉秧，品種為京藏香。補光試驗設(shè)計如圖8所示，每3壟為一組保護行，每5壟為一組補光區(qū)域，每5壟為一組對照區(qū)域（CK），補光和CK之間以保護行作為分割，共分為四個試驗重復。

每組補光區(qū)域包含3排從主線引出的電線，一根位于該區(qū)域的中間位置，在其兩側(cè)1.4 m的位置各有一根，如圖9所示。在每排電線上安裝4盞補光燈，補光燈之間的距離是2 m，安裝高度距離草莓上方1.1 m。補光燈使用的是上海合鳴照明電器有限公司的50W LED生長燈，于2018年10月20日安裝，補光現(xiàn)場照片如圖10所示。

應(yīng)用該系統(tǒng)，根據(jù)傳感器實時采集的環(huán)境信息，設(shè)定智能補光策略：從2018年11月14日到2019年4月5日，在每天6時到9時、16時到19時兩個時段內(nèi)，當光照傳感器采集的光照度低于10 000 lx時開啟補光燈，當光照傳感器采集的20 min內(nèi)光照度持續(xù)高于20 000 lx時關(guān)閉補光燈[21-24]。結(jié)果（表1）顯示，與CK相比，補光處理能夠提高草莓產(chǎn)量，增幅達到10%，經(jīng)t測驗，差異達顯著水平。

表2列出了前4次采摘的草莓個數(shù)和質(zhì)量，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，補光較CK有促使草莓提前上市的效果。

4 結(jié)論

本研究以滿足溫室環(huán)境遠程監(jiān)控的實時性、便捷性需求為目標，借鑒國內(nèi)外在環(huán)境監(jiān)控方面的研究經(jīng)驗，結(jié)合傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，完成了基于Android手機的溫室環(huán)境監(jiān)測與補光控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。并在天津市北辰區(qū)雨農(nóng)蔬菜種植專業(yè)合作社3號草莓溫室進行了應(yīng)用試驗，以“京藏香”草莓為試材，通過4個試驗重復對比了應(yīng)用該系統(tǒng)補光與對照對冬春茬溫室草莓的影響。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效完成溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸、展示和分析以及補光燈的手動和自動控制，具有性能穩(wěn)定、實時性好、使用方便、節(jié)省人力等特點;而且應(yīng)用該系統(tǒng)補光可促進草莓增產(chǎn)和早上市，增加經(jīng)濟收益。今后將進一步熟化該系統(tǒng)的應(yīng)用研究，將其擴大應(yīng)用到不同的溫室作物，另外也可根據(jù)溫室當前的環(huán)境信息，增加對水肥一體化設(shè)備、增溫設(shè)備、卷簾機、卷膜機等的自動智能控制，進一步加大溫室的自動化、智能化程度，降低人工成本[25，26]。

參 考 文 獻：

[1]王洪安. 北方溫室人工補光光源特性及優(yōu)化配置研究[J]. 吉林農(nóng)業(yè)，2011（1）：33-34.

[2]臧春石，韓金星，趙鳳穎，等. 補光對冬春茬溫室黃瓜植株長勢及產(chǎn)量品質(zhì)的影響[J]. 北方園藝，2014（23）：39-40.

[3]崔靖林，段鵬偉，楊延榮，等. 基于LED的培養(yǎng)箱光控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 科技創(chuàng)新導報，2014（29）：88-89.

[4]胡古月，吳凡. MSP430單片機在調(diào)控LED植物智能補光系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 科技資訊，2013（20）：7-8.

[5]曹沐昀，陳鵬，鄭步生. 基于MSP430的智能自適應(yīng)間斷光控系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（3）：162-164.

[6]孫龍霞，保智敏，馬立新，等. 基于GSM的溫室手機監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 中國農(nóng)機化學報，2014，35（6）：80-83.

[7]袁玉強，祝勝林，余聯(lián)昌，等. 基于ZigBee的植物補光系統(tǒng)設(shè)計[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學，2015（8）：141-146.

[8]游海云. 基于Android客戶端溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研制[J]. 湖北科技學院學報，2014，34（7）：5-6.

[9]陳大鵬，毛罕平，左志宇. 基于Android手機的溫室環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2013， 41（9）：375-379.

[10]徐正華，毛鵬軍，丁月華，等. 基于Android系統(tǒng)的溫室環(huán)境監(jiān)控APP研究與開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2015，5（5）：33-37.

[11]凌家良，魏曉慧. 基于ZigBee的溫室大棚LED光環(huán)境智能監(jiān)控[J]. 惠州學院學報， 2017， 37（6）：51-53.

[12]鮑建宇，張珊. 基于ZigBee的植物LED補光控制系統(tǒng)[J]. 科技與創(chuàng)新，2016（22）：17，36.

[13]李杜，霍金蘭，陳永明. 作物光照智能調(diào)控技術(shù)研究[J]. 農(nóng)機化研究，2017（9）：36-39.

[14]余良俊，汪小志，劉志剛，等. 基于ARM與ZigBee的溫室環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究，2015（7）： 97-100.

[15]熊利祥，馬艷梅. 基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 信息通信，2017（11）：120-122.

[16]邱宇，張建，袁鳳培.Zigbee智慧連棟溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電子世界，2015（16）：148-149.

[17]董學樞. 基于Web的溫室環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 信息化研究，2014，40（6）：61-64.

[18]段鵬偉，王俊學. 基于ZigBee技術(shù)的日光溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 南方農(nóng)機，2015（12）：34-36.

[19]張雪飛，彭凱，王建春，等. 設(shè)施蔬菜水肥一體化智能灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計及試驗[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學， 2017，45（9）：1534-1538.

[20]唐英姿，蔣峰. 遠程無線高精度溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學， 2017， 45（15）：217-222.

[21]況覓，董鵬，雷永忠，等. 寡日照地區(qū)大棚草莓LED補光栽培效果初探[J]. 中國園藝文摘， 2016（4）：25-26.

[22]吳鵬飛，王麗娟，劉昭，等. LED補光對設(shè)施草莓生長及果實品質(zhì)的影響[J]. 北方園藝， 2016（21）：48-50.

[23]胡波，黃雯，張艷雙，等. LED補光對溫室草莓生長的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（13）：26-27.

[24]韓金星，董坤，韓金酉，等. 補光對日光溫室草莓植株長勢及產(chǎn)量品質(zhì)的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)信息，2016（10）：123-124.

[25]王帥. 基于安卓系統(tǒng)的溫室環(huán)境遠程監(jiān)控模式設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2017（9）：48-50.

[26]王紀章，李萍萍，彭玉禮. 基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2012，40（12）： 373-375.

收稿日期：2019-07-10

基金項目：天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化和推廣項目（201601220，201801040）;天津市農(nóng)業(yè)科學院院長基金項目（17006）

作者簡介：杜彥芳（1981—），女，河北深澤人，助理研究員，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究工作。E-mail：duyanfang1981@126.com

通訊作者：王建春（1977—），男，碩士，副研究員。主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：89284883@qq.com